基于PIC16F616的无线远离报警系统设计

杨家桂，聂德品，陈劲松，武 岳

（1.安徽财经大学，安徽 蚌埠 233030；2.中盐昆山有限公司，江苏 昆山 215321)

0 引言

如果物品与其主人或无自理能力的老人、小孩与看护人的距离超过一定值时，能及时提醒物品主人或看护人，会减少很多麻烦。本设计应用PIC16F616 单片机控制无线数字传输芯片nRF24L01，以无线方式在客户和被保护对象之间进行数据双向传输，保证被保护对象在控制范围内，实现防护功能。

1 系统硬件设计

本系统主要是由发射和接收两大模块组成，系统基本构成如图1 所示。采用锂离子电池供电，利用单片机来控制无线模块之间的通信。系统启动后，单片机向发射器里写入地址和数据，发射器开始工作并不断发出无线信号；当接收器接收到信号，LED 灯亮，同时通知单片机读取数据。当接收器和发射器间的距离大于设定值时，接收器无法收到信号，将会进行声光报警，提示客户其被保护对象已离开设定的距离。

图1 系统组成框图

1.1 发射模块

发射系统主要由处理器、nRF24L01无线通信模块、人机接口等部分组成，如图2所示。处理器采用国外某公司研发的14 脚的8 位CMOS 单片机PIC16F616，其中11 个I/O 引脚是多功能，使用时根据需要进行配置，工作电压范围为2.0V～5.5V，功耗低，片内含有2048个字的可反复擦写的程序存储器和128 字节的SRAM［1］。设计时采用4MHz 的石英晶体和2 个22PF 电容组成外部振荡器；在电源和地附近也需连接不同的电容进行去耦和滤波，使得系统具有更好的稳定性和时序精度。

图2 发射模块原理图

nRF24L01 是无线单片收发一体芯片，工作频段为2.4GHz～2.5GHz，世界通用。内部集成了频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、增强型Shock⁃BurstTM模式控制器等，支持一对多通信，输出功率、频道、发送或接收模式可以通过程序进行设置［2］。有多种低功率工作模式，能实现自动应答、自动重发、地址码检测、循环冗余校验码检测等功能。无线速率可达到2Mbps，SPI接口速率可达8Mbps,工作电压1.9～3.6V，体积小、功耗低，而且所需外围元件较少，应用方便［3］。

人机接口包括按键和LED 灯。按键具有多功能，第一次按下，启动发射模块，第二次按下即为关闭发射，系统停止工作。LED 灯亮表示系统工作正常，工作过程中LED等灭表示接收端没接收到数据。

1.2 接收模块

图3 接收模块原理图

接收模块如图3所示，主要包含处理器、声光报警、nRF24L01 无线通信电路等。一旦系统开始工作，根据配置此模块中nRF2401 就处于接收状态，接收发射端送过来的数据，当系统正常工作时LED灯亮；若系统工作不正常或接收不到发送端发送的信号，则LED 灯灭；若被保护对象远离设定的距离，则LED灯灭同时蜂鸣器发出报警信号。

2 通信软件设计

本设计采用单片机PIC16F616I/O 口模拟SPI的工作时序，与nRF24L01 进行数据通信和通信控制［4-5］。系统总体工作流程如图4 所示。系统运行之前在配置模式下对发送端和接收端的nRF24L01 进行相互匹配的初始化配置,接着就可以进行正常的数据通信。数据包为固定的格式：前缀、地址、有效数据和校验位（CRC），发送时单片机只向nRF24L01 传送地址和数据, 前缀和CRC 会在nRF24L01 芯片内部自动加进去；接收时,接收端检测到本机地址的数据包,检验正确后会自动移去前缀、地址和CRC，将有效数据传送给单片机［6-7］。

图4 系统工作流程图

nRF24L01 收发模式分直接收发、ShockBurstTM收发和Enhanced ShockBurstTM收发三种模式。本设计采用最后一种收发模式，因为Enhanced Shock⁃BurstTM模式可以与低速MCU 配合工作［3］，并要求接收方在收到数据后进行应答，数据丢失后会自动重发，发送或接收完毕产生中断信号通知MCU。此模式下发送时数据从微控制器送入到nRF24L01 片内的堆栈区,数据打包后即高速(1Mbit/s)发射,与射频协议相关的所有高速信号处理都在nRF24L01 片内进行,这样不仅节能、降低成本，而且数据在空中停留时间短、增强抗干扰性［6］。

nRF24L01 发射模块开始工作时，先初始化，中断复位，SPI时钟禁止，让CE=0，CSN=0（CSN是芯片使能端）；再进行芯片参数的配置：选择发射频道，发射功率，数据传输速率以及低噪声放大器增益、接收端地址等，然后拉高CE 时间持续100μs，启动发射模块。MCU 将接收节点的地址和有效数据写入nRF24L01 中的TX_FIFO。当SCK 出现一个下降沿，nRF24L01 会 从MOSI 读 入1 位 数 据，同 时 从MISO 输出1 位数据。数据发送结束，会自动进入接收模式，可配置通道0 接收应答信号。若在一定时间内收到应答，IRQ置低，产生中断，同时TX_DS=0，通知MCU数据已发送完，此时清除TXFIFO中数据，进行下一个数据的发送。如果超过等待则会自动重发。直到收到应答或者达到最大重发次数（由SETUP_RETP_ARC 寄存器设置）。如果重发次数超过了这个最大值，会出现MAX_RT 中断，此时不会清除TXFIFO 中数据。MAX_RT 中断被清除，才会重发数据包。如果达到自动重发的次数，可以选择重新发送这个数据或者发送下一个数据。无线发送流程如图5所示。

图5 无线发送流程图

接收器配置的过程与发射类似，初始化，配置相关参数。为了与发射区别，CE 需置高。进入接收模式后，若接收到有效的数据和地址，会产生中断同时RX_DR=0，接收完毕后会进入发送模式，向发送端发送应答信号。本设计通过改变发射功率调节两个模块通信的距离，一般情况下，发射功率每减少6db，通信距离会缩短1 倍。当接收器启动后接收不到数据，会进入声光报警，蜂鸣器发声提示保护对象已离开设定的范围。无线接收流程如图6所示。

图6 无线接收流程图

3 结语

本系统硬件结构比较简单、操作方便、体积小、功耗低、便于携带和使用。还可通过增加按键和相应的软件来调整安全距离，进一步完善系统性能。NRF24L01 支持多点通信，所以本设计可也适用于外出时贵重物品防丢失、老人或小孩防丢失等。